(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスであって、
第１の層と、
前記第１の層の上に成長する第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に配置され、かつ、前記第１の層と接している第３の層と、
前記第２の層の上に成長するデバイス層と、
を含有するＩＩＩ族窒化物構造を含み、
前記第１の層は実質的にインジウムを含有せず、前記第２の層はインジウムを含有する非単一結晶層であり、前記第３の層は実質的にインジウムを含有しない非単一結晶層であり、前記デバイス層はｎ型領域とＰ型領域との間に配置されるＩＩＩ族窒化物光放出層を含み、
前記第１の層はＧａＮでありおよび前記第２の層はＩｎＧａＮであり、
前記ＩＩＩ族窒化物構造は前記第２の層と前記光放出層との間に配置される第４の層をさらに含み、前記第４の層はインジウムを含有する非単一結晶層であるデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記第２の層は前記第４の層とは異なるインジウム組成を有するデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスにおいて、
さらに、前記光放出層と前記第１の層との間に配置される傾斜組成を有する層を含むデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記光放出層は前記光放出層と同一組成の自立材料の格子定数に対応するバルクの格子定数ａbulkを有し、
前記光放出層は前記構造中で成長する前記光放出層の格子定数に対応する面内格子定数ａ面内を有し、
前記光放出層中の｜（ａ面内−ａbulk）｜／ａbulkは１％未満であるデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記光放出層は３．１８９オングストロームよりも大きいａ−格子定数を有するデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光放出デバイスに対する成長技法およびデバイス構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤｓ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤｓ）、垂直キャビティレーザーダイオード（ＶＣＳＥＬｓ）、または端面発光レーザを含む半導体光放出デバイスは現在入手可能な最も効率的な光源の一つである。ＵＶ、可視、および、たぶん赤外スペクトルの全域で動作可能な高輝度光放出デバイスの製造のために現在関心が向けられている材料系には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体が含まれ、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、および窒素の二元、三元、および四元合金は、ＩＩＩ族窒化物材料とも称される。一般に、ＩＩＩ族窒化物光放出デバイスは、異なる組成およびドーパント濃度の半導体層のスタックをサファイア、シリコン炭化物、ＩＩＩ族窒化物、または他の好適な基板上に有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、または他のエピタキシャル技法を用いてエピタキシャル成長させることによって製造される。スタックは、多くの場合、基板全体を覆うように形成される、例えばＳｉによってドープされた一つ以上のｎ型層、ｎ型層（単数または複数）を覆うように形成される活性領域中の一つ以上の光放出層、および、活性領域を覆うように形成される、例えばＭｇによってドープされた一つ以上のｐ型層を含有する。ｎ型領域およびｐ型領域に電気コンタクトが形成される。これらのＩＩＩ族窒化物材料は、他のオプトエレクトロニクスデバイスおよび電界効果トランジスタ（ＦＥＴｓ）などの電子デバイスにも、および検出器にも関心が向けられている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の実施形態では、ＩＩＩ族窒化物デバイスの光放出層を含有するデバイス層を、デバイス中、特に光放出層中の歪みを減少するように設計されたテンプレートの上に成長させる。この歪みは以下のように定義されてもよい。所与の層はその層と同一組成の自立材料の格子定数に対応するバルクの格子定数ａbulkと構造中で成長したその層の格子定数に対応する面内格子定数ａ面内を有する。層中の歪み量は特定の層を形成する材料の面内格子定数とデバイス中の該層のバルクの格子定数との差異をバルクの格子定数で除算したものである。
【０００４】
光放出デバイス中の歪みを減少させることはデバイスの性能を改良する。該テンプレートは、従来技術で成長させたテンプレートから得られる格子定数の範囲を超えて、光放出層中の格子定数を膨張させる。本発明のいくつかの実施形態では、光放出層中の歪み量は１％未満である。
【０００５】
いくつかの実施形態では、テンプレートは、直接基板上に成長したＧａＮなどのインジウムを含有しない核生成層とインジウムを含有しない層の上に成長したＩｎＧａＮなどのインジウム含有層との低温で成長した二つの層を含有する。両方の層とも非単一結晶層であってもよい。いくつかの実施形態では、ＧａＮ層などの単一結晶層を、核生成層とインジウム含有層との間で成長させてもよい。いくつかの実施形態では、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮなどの単一結晶層を低温インジウム含有層の上に成長させてもよい。
【０００６】
いくつかの実施形態では、テンプレートはさらに複数の層スタックまたは傾斜領域を含有してもよく、または熱アニ−ルまたは熱サイクル成長ステップを含むプロセスによって形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、従来技術によるデバイスの一部の横断面図である。
【図２】図２は、従来技術の低温核生成層の後に成長した低温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図３】図３は、複数の低温核生成層の上に成長した低温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図４】図４は、従来技術の低温核生成層の上に成長した複数の低温層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図５】図５は、２セット以上の低温核生成層および低温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図６】図６は、複数の低温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図７】図７は、アニーリングおよびデバイス層成長後の図６の構造の横断面図である。
【図８】図８は、高温ＧａＮ層の後に成長した低温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図９】図９は、低温ＩｎＧａＮ層の後に成長した高温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図１０】図１０は、高温ＧａＮ層の後に成長した低温ＩｎＧａＮ層の後に成長した高温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図１１】図１１は、二つの高温ＩｎＧａＮ層の間に配置された低温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図１２】図１２は、低温ＩｎＧａＮ層の上に成長した二つの高温ＩｎＧａＮ層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図１３】図１３は、熱サイクル成長によって成長した複数のインジウムリッチおよびインジウムプア層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図１４】図１４は、低温層および傾斜組成層を含有するデバイスの一部の横断面図である。
【図１５】図１５は、ＧａＮ核生成層および厚い高温ＧａＮ層を含有するいくつかのデバイス、および低温ＩｎＧａＮ層および厚い高温ＧａＮ層を含有するいくつかのデバイスに対してａ−格子定数の関数としてｃ−格子定数をプロットした図である。
【図１６】図１６は、いくつかのデバイスに対してｃ−格子定数およびａ−格子定数をプロットした図である。
【図１７】図１７は、サファイアなどのウルツ鉱型構造のいくつかの主結晶面を示す図である。
【図１８】図１８は、成長基板が除去されたフリップチップ光放出デバイスの一部を示す図である。
【図１９】図１９は、パッケージされた光放出デバイスの分解図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
半導体光放出デバイスの性能は、デバイスに供給される電子に対して該デバイスから抽出される光子の数を測定する外部量子効率を測定することによって評価されてもよい。従来技術のＩＩＩ族窒化物光放出デバイスに加えられる電流密度が増加すると、デバイスの外部量子効率は最初は増加し、次に減少する。電流密度がゼロを超えて増加するにつれて、外部量子効率は増加し、所与の電流密度（たとえば、あるデバイスでは約１０Ａ／ｃｍ2）におけるピークに達する。電流密度がピークを超えて増加するにつれて、外部量子効率は最初は急速に下がり、次に、より高い（たとえば、あるデバイスでは２００Ａ／ｃｍ2を超える）電流密度では徐々に減少する。光放出領域におけるＩｎＮの組成が増加するにつれて、および、放射光の波長が増加するにつれて、デバイスの量子効率も減少する。
【０００９】
高電流密度における量子効率の降下を減少または逆転させるための一つの手法は、より厚い光放出層を形成することである。しかしながら、厚いＩＩＩ族窒化物光放出層の成長は、ＩＩＩ族窒化物デバイス層中の歪みのために難しい。また、より長い波長での放射を得るためには、より高いＩｎＮ組成を取り入れることが望まれる。しかしながら、高いＩｎＮ組成ＩＩＩ族窒化物光放出層を成長させることはＩＩＩ族窒化物デバイス層中の歪みのために難しい。
【００１０】
天然のＩＩＩ族窒化物成長基板は通常は高価であり、広く入手可能ではなく、また市販デバイスの成長には実用的ではないために、ＩＩＩ族窒化物デバイスは多くの場合サファイア（Ａｌ2Ｏ3）またはＳｉＣ基板上に成長させる。当該非天然の基板は、当該基板上で成長するＩＩＩ族窒化物デバイス層のバルクの格子定数とは異なる格子定数、異なる熱膨張係数、および、デバイス層よりも異なる化学的および構造的な特性を有し、結果としてデバイス層中の歪み、および、デバイス層と基板との間での化学的および構造的な不整合を生じる。この構造的な不整合の例には、たとえば、ＧａＮの結晶構造とその上でＧａＮが成長するサファイア基板の結晶構造との間での面内回転が含まれる。
【００１１】
本明細書で使用する場合、“面内”格子定数はデバイス中の層の実際の格子定数を参照し、および“バルク”格子定数は所与の組成の緩和した、自立材料の格子定数を参照する。層中の歪みの量は式（１）で定義される。
歪み＝ε＝（ａ面内−ａbulk）／ａbulk        （１）
【００１２】
式（１）中の歪み、ε、は正または負であってもよく、すなわち、ε＞０またはε＜０であることに留意されたい。歪みの無いフィルムでは、ａ面内＝ａbulkなので、式（１）では、ε＝０である。フィルムが引張歪み、すなわち引張力を受けると、ε＞０であり、フィルムが圧縮歪み、すなわち圧縮を受けるとε＜０である。引張歪みの例には、歪んでいないＧａＮの上に成長した歪んだＡｌＧａＮフィルム、または歪んでいないＩｎＧａＮの上に成長した歪んだＧａＮフィルムが含まれる。両方の場合とも、歪んだフィルムのバルクの格子定数はそれが上で成長した無歪み層のバルクの格子定数よりも小さいので、歪んだフィルムの面内格子定数は、無歪み層の格子定数に合致するように伸び、フィルムは前記のように引張力のもとにあるので、式（１）ではε＞０である。圧縮歪みの例には無歪みＧａＮの上に成長した歪んだＩｎＧａＮフィルム、または無歪みＡｌＧａＮの上に成長した歪んだＧａＮフィルムが含まれる。両方の場合とも、歪んだフィルムのバルクの格子定数はそれが上で成長した無歪み層のバルクの格子定数よりも大きいので、歪んだフィルムの面内格子定数は無歪み層の格子定数に合致するよう圧縮され、フィルムは前記のように圧縮を受けるので式（１）ではε＜０である。
【００１３】
引張フィルムでは、歪みは、面内格子定数を大きくするために原子をお互いに引き離す役割を果たす。フィルムは、引張歪みに対してクラッキングで対応でき、フィルム中の歪みを減少させるが、フィルムの構造的および電気的完全性を損ない、この引張歪みは多くの場合好ましくない。圧縮フィルムでは、歪みは原子をお互いに押す役割を果たし、これはＩｎＧａＮフィルム中にインジウム等の大きな原子が取り込まれることを減少させる効果があり、たとえば、ＩｎＧａＮ ＬＥＤ中のＩｎＧａＮ活性層の材料品質を悪くしてしまうことになる。多くの場合、引張歪みおよび圧縮歪みの両方ともに好ましくなく、デバイスのさまざまな層の引張歪みまたは圧縮歪みを減少させることは有益である。このような場合に、歪みの大きさの絶対値を式（２）で定義することは非常に便利である。本明細書で使用する場合、“歪み”という用語は式（２）で定義される絶対値、つまり歪みの大きさを意味すると理解されるべきである。
歪み＝│ε│＝│（ａ面内-ａbulk）│／ａbulk        （２）
【００１４】
ＩＩＩ族窒化物デバイスをＡｌ2Ｏ3の上に従来技術で成長させた場合、基板上に成長した第１の構造は、通常、約３．１８９Å以下の面内格子定数を持つＧａＮテンプレート層である。ＧａＮテンプレートは、ＩｎＧａＮ光放出層を含む光放出領域の格子定数テンプレートとしての機能を果たし、テンプレート層の上方に成長したデバイス層のすべてに対して格子定数を設定する。ＩｎＧａＮのバルクの格子定数は従来技術のＧａＮテンプレートの面内格子定数よりも大きいので、従来技術のＧａＮテンプレートの上に成長した場合には光放出層は圧縮され歪んでいる。たとえば、約４５０ｎｍの光を放出するように構成された光放出層は、３．１８９Åの格子定数のＧａＮと比較して、３．２４２Åのバルクの格子定数を持つ組成であるＩｎ0.16Ｇａ0.84Ｎ組成を有していてもよい。光放出層中のＩｎＮ組成が増加し、デバイスがより長い波長で光を放出するように設計されると、光放出層中の圧縮歪みも増加する。
【００１５】
歪んだ層の厚さが限界値を超えて増加すると、参照によって本明細書に援用する「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ」，６１３３巻，６１３３０８−１−６１３３０８−１０頁（２００６）Ｔｏｍｉｙａらに記載されているように、歪みに関連しているエネルギーを減少させるために、層中の転位または他の欠陥を形成する。構造的な欠陥はデバイスの量子効率を大幅に減少させることができる非放出再結合中心と関連づけられる。結果的に、光放出層の厚さはこの限界厚さ以下を維持しなければならない。ＩｎＮ組成およびピーク波長が増加するにしたがって、光放出層中の歪みは増加し、従って光放出層の限界厚さは薄くなる。
【００１６】
たとえ光放出層の厚さが限界厚さ未満を維持しても、参照によって本明細書に援用する「Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｓｔａｔｕｓ  Ｓｏｌｉｄｉ」，Ｂ２４０巻，２７３−２８４頁（２００３）Ｐｏｎｃｅらに記載されているように、ＩｎＧａＮ合金は、ある組成および温度で熱力学的に不安定である。たとえば、一般にＩｎＧａＮ成長のために使用される温度では、ＩｎＧａＮは、組成が均一なＩｎＧａＮ層が平均的なＩｎＮ組成よりも高い領域および平均的なＩｎＮ組成物よりも低い領域を含む層に変わるスピノーダル分解を示す可能性がある。ＩｎＧａＮ光放出層中のスピノーダル分解は非放出再結合中心を形成し、デバイスの量子効率を減少させる可能性がある、内部吸収が増加する可能性がある。スピノーダル分解の問題は光放出層の厚さが増加するにしたがって、光放出層中の平均ＩｎＮ組成が増加するにしたがって、および／または光放出層中の歪みが増加するにしたがって悪化することである。たとえば、光放出層がＧａＮテンプレート上に成長し、５５０ｎｍで光を放出するように構成された場合に、ＩｎＮ組成が２０％を超え、好ましい厚さが３０Åを超えた組み合わせにおいて、スピノーダル分解の制限を超えてしまう。
【００１７】
したがって、上述したように、電流密度が増加するにしたがって発生する外部量子効率の降下を減少または取り除くために光放出層の厚さを厚くすることが望まれ、より長い発光波長を得るためにＩｎＮ組成を増加させることが望まれる。両方の場合ともに、より厚いまたはより高い組成の光放出層を成長させるために、限界厚さを増加させることによる許容範囲の欠陥数を維持するために、および、スピノーダル分解の発生が無く成長できる層の厚さを厚くするために、光放出層中の歪みを減少させることが必要である。本発明の実施形態では、ＩＩＩ族窒化物デバイスのデバイス層中、特に光放出層中の歪みを減少させるように設計されている。
【００１８】
図１では基板１上で従来技術の核生成層２が成長したデバイスを図解する。一つ以上の高温層３および５が核生成層２の上に成長してもよく、デバイス層６が高温層３または５の上に成長してもよい。ＩＩＩ族窒化物光放出層中の歪みを減少させる以前の方法には、図１に図解され、米国特許第６，４８９，６３６号に記載されているように合体したＧａＮ領域３の上に高温で、実質的に単一結晶のＩｎＧａＮ領域５を成長させること、または、図１に図解され、英国特許出願ＧＢ２３３８１０７Ａ号に記載されているようにサファイア基板上に直接インジウム含有核生成層２を成長させることが含まれる。しかしながら、合体したＧａＮの上で成長したＩｎＧａＮ領域は、一般に、効率的に緩和しないので、歪みおよび関連した欠陥の減少は限られたものとなり、および、サファイア上に直接インジウム含有核生成層を成長させることを含む英国特許出願ＧＢ２３３８１０７Ａ号に記載されたアプローチは、一般に、高転位密度、表面の粗さ、および、高濃度の炭素および酸素等の不純物を含む、デバイス層中の一つ以上の問題を結果として生じる。したがって、デバイス層中の歪みばかりではなく、転位密度および表面粗さをも制御することが必要である。
【００１９】
図１に示すような従来技術のＧａＮテンプレート中の歪みを制御するもうひとつの方法は、参照によって本明細書に援用する「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」，７８巻，１９７６−１９７８頁（２００１）Ｂｏｔｔｃｈｅｒらに記載されているように、ＧａＮテンプレート中の転位密度を制御することである。このアプローチでは、貫通転位密度（ＴＤＤ）を増加させてａ−格子定数を増加させる。ａ−格子定数と貫通転位密度との正確な関係は、Ｓｉ濃度、成長温度、およびテンプレート厚さを含む多くの要因に依存するが、従来技術のＧａＮテンプレート中のａ−格子定数と貫通転位密度との近似関係は以下のように記述される。
ａ面内＝３．１８３２＋９．５７８×１０-13＊ＴＤＤ  （３）
【００２０】
式（３）から、面内ａ−格子定数の３．１８９Åは貫通転位密度のおよそ６×１０9ｃｍ-2相当することに留意されたい。このａ−格子定数は、異なるＳｉ濃度、異なる成長温度、または異なるテンプレート厚さを使用した低い貫通転移密度で得ることができるが、発明者らは、３．１８９Åよりも大きいａ−格子定数を有する従来技術のＧａＮテンプレートは、通常、少なくとも２×１０9ｃｍ-2の貫通転位密度を有することを観察した。図１などの従来技術のＧａＮテンプレート中の貫通転位密度を変えることによって、発明者らはおよそ３．１８３２Åからおよそ３．１９１９Åの範囲を超えて、従来技術のＧａＮテンプレート中の面内ａ−格子定数を変化させた。
【００２１】
貫通転位密度を増加させることは、このように通常は従来技術のＧａＮテンプレート中のａ−格子定数を増加させる点で有効であるが、この方法にはいくつかの欠点がある。たとえば、参照によって本明細書に援用する「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」，８１巻，１９４０−１９４２頁（２００２）Ｋｏｌｅｓｋｅらに記載されているように、転位などの欠陥はＩＩＩ族窒化物光放出デバイスの外部量子効率を低下させる非放出再結合中心としての役割を果たす。したがって、外部量子効率を増加させるために転位密度を減少させることが望まれる。また、従来技術のＧａＮテンプレート中の面内ａ−格子定数がおよそ３．１８９Åに近づいて超えると、参照によって本明細書に援用する「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」，８７巻，７７４５−７７５２頁（２０００）Ｒｏｍａｎｏらに記載されているように，ＧａＮ層は過度の引張歪みによってクラックする傾向がある。したがって、二元組成ＧａＮテンプレートによって規定されるａ−格子定数と転位密度との関係を解決することが望まれる。特に、低貫通転位密度テンプレートの組み合わせによる低歪み活性層を得ることは、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの外部量子効率を増加させ、波長を長くするための重要な目標である。本発明のいくつかの実施形態では、デバイス層が上で成長したテンプレートでは、面内ａ−格子定数が３．２００Åの大きさで貫通転位密度が２×１０9ｃｍ-2未満の組み合わせの場合には、実質的にクラックが無い。
【００２２】
本発明の実施形態では、半導体光放出デバイスのデバイス層は、本明細書でテンプレートと称する構造の上に、デバイス層中の格子定数（したがって歪み）を制御する要素を取り込みながら成長する。デバイス中の格子定数を増加させる構造は、望ましくない表面粗さの増加または貫通転位密度の増加を引き起こす可能性があるので、テンプレートはデバイス層中に、特に光放出領域中に、貫通転位密度および表面粗さを制御する要素をも含んでもよい。テンプレートはテンプレートの上に成長する半導体層の貫通転位密度および格子定数を設定する。テンプレートは、ＧａＮの格子定数から光放出層のバルクの格子定数によりいっそう一致する格子定数への格子定数転位としての機能を果たす。テンプレートによって設定された格子定数は、従来技術のテンプレート上で成長したデバイス中で得られる格子定数よりもデバイス層のバルクの格子定数によりいっそう一致することができ、結果として、従来技術のＧａＮテンプレート上に成長したデバイスと比較して、許容範囲にある貫通転位密度および表面粗さで、歪みがより小さくなる。
【００２３】
前述したデバイス層は、少なくとも一つのｎ型層と少なくとも一つのＰ型層との間にサンドイッチされた少なくとも一つの光放出層を含む。異なる組成およびドーパント濃度の追加の層は、ｎ型領域、光放出領域、およびｐ型領域のぞれぞれに含有されてもよい。たとえば、ｎ型およびｐ型領域は反対の導電型の層または意図的にドープされていない層、後の成長基板の剥離または基板除去後の半導体構造の薄層化を容易にするように設計された剥離層、および、効率よく光を放出するために光放出領域に対して望まれる特定の光学的または電気的特性のために設計された層を含有してもよい。いくつかの実施形態では、光放出層をサンドイッチするｎ型層はテンプレートの一部であってもよい。
【００２４】
以下に記述される実施形態では、デバイスが青色またはＵＶ光を放出するように、光放出層（単数または複数）中のＩｎＮ組成は低くてもよく、または、デバイスが緑色またはより長い波長光を放出するように、光放出層（単数または複数）中のＩｎＮ組成は高くてもよい。いくつかの実施形態では、デバイスは一つ以上の量子井戸光放出層を含有してもよい。複数の量子井戸は、バリア層で分離されていてもよい。たとえば、それぞれの量子井戸は１５Åよりも厚くてもよい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、デバイスの光放出領域は、厚さ５０Åからおよび６００Åの範囲の、一層好ましくは１００Åから２５０Åの範囲の、単一の、厚い光放出層である。最適な厚さは光放出層中の欠陥の数に依存する場合がある。光放出領域中の欠陥の濃度は、好ましくは１０9ｃｍ-2未満に制限され、一層好ましくは１０8ｃｍ-2未満に制限され、一層好ましくは１０7ｃｍ-2未満に制限され、および一層好ましくは１０6ｃｍ-2未満に制限される。
【００２６】
いくつかの実施形態では、デバイス中の少なくとも一つの光放出層は、Ｓｉなどのドーパントで１×１０18ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度でドープされている。Ｓｉドーピングは、光放出層中の歪みをさらに減少させる可能性がある光放出層中の面内ａ−格子定数に影響を与える場合がある。
【００２７】
本発明のいくつかの実施形態では、テンプレートは少なくとも一つの低温ＩｎＧａＮ層を含有する。参照によって本明細書に援用する「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ」，２６５巻，４３４−４３９頁（２００４）ＢｏｓｉおよびＦｏｒｎａｒｉ、に記載されているように、Ｈ2はＩｎＧａＮフィルム中にインジウムを取り入れることに影響を及ぼすことができることが観察された。成長温度、成長圧力、成長率、およびＮＨ3流量などのさまざまな他のパラメータも、参照によって本明細書に援用する「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」，９７巻，０１３７０７−１−０１３７０７−８頁（２００５）Ｏｌｉｖｅｒらの一部に記載されているように、ＩｎＧａＮフィルム中にインジウムを取り入れることに影響を及ぼすことができる。従って、可変Ｈ2流量がＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮフィルム中のＩｎＮ組成を制御する手段として使用される場合もある。したがって、いくつかの実施形態では、テンプレートの成長中に反応器内に流れる一つ以上の可変Ｈ2流量、可変Ｎ2流量、または可変ＮＨ3流量を使用して本明細書に記載されるテンプレートを成長させる。他の実施形態では、テンプレート成長中の可変温度または可変圧力、または可変成長率を使用して、テンプレートを成長させる。他の実施形態では、テンプレート成長中に、可変Ｈ2流量、可変Ｎ2流量、可変ＮＨ3流量、可変温度、可変圧力、または可変成長率のうちの一つ以上の任意の組み合わせを使用してテンプレートを成長させる。
【００２８】
図２では、本発明の第１の実施形態を図解する。従来技術の低温核生成層２２はサファイア基板２０の表面上に直接成長する。核生成層２２は、一般に、たとえば、４００℃から７５０℃の範囲の温度で５００オングストロームまでの厚さに成長させた、アモルファス、多結晶、または、立方相ＧａＮ層などの低品質な非単一結晶層である。
【００２９】
第２の層２６も核生成層２２の上に低温で成長する。低温層２６は、たとえば、４００℃から７５０℃の範囲、一層好ましくは４５０℃から６５０℃の範囲、一層好ましくは５００℃から６００℃の範囲の温度で５００オングストロームまでの厚さに成長させた、アモルファス、多結晶、または立方相ＩＩＩ族窒化物層などの低品質な非単一結晶層であってもよい。いくつかの実施形態では、低温層２６は３００オングストローム厚未満である。低温層２６は、たとえば、ＩｎＮの組成が０％よりも大きくかつ多くの場合は２０％未満、一層好ましくは３％から６％の範囲、一層好ましくは４％から５％の範囲であるＩｎＧａＮ層であってもよい。いくつかの実施形態では、低温層２６中のＩｎＮ組成は小さく、たとえば２％未満である。核生成層２２の成長後であって、低温層２６の成長前、または、低温層２６の成長後、または、低温層２６の成長前後の両方で、構造はアニールされてもよい。たとえば、構造は温度９５０℃から１１５０℃の範囲で３０秒から３０分間、通常はＨ2およびＮＨ3；Ｎ2およびＮＨ3；またはＨ2、Ｎ2、およびＮＨ3の雰囲気中でアニールされてもよい。いくつかの実施形態では、Ｇａ、Ａｌ、またはＩｎ前駆体は少なくともアニーリングプロセスの一部で取り入れられてもよい。次に、デバイス層１０は低温層２６の上で成長する。低温層２６は、従来技術のＧａＮテンプレートなどの従来の核生成構造を用いて達成可能な格子定数の範囲を超えて、デバイス層１０の格子定数を膨張させることができる。サファイア、またはＳｉＣ、または他の基板の上で成長するＧａＮ核生成層はそれらと異なる格子定数を有するが、低温層２６が下位層と釣り合って成長しないので格子定数の膨張が発生する。従って、前述したように、低温層２６は核生成層２２の格子定数からより大きい格子定数に転位する機能を果たす。図２に示すように低温ＩｎＧａＮ層２６を使用するＩＩＩ族窒化物デバイスは、たとえば図１に示され、英国特許出願番号ＧＢ２３３８１０７Ａ号に記述された基板上に直接成長するＩｎＮ含有核生成層２を使用するＩＩＩ族窒化物デバイスよりも高い品質に成長することができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、ＵＶデバイスのＡｌＧａＮ光放出領域中の引張歪みを減少させるために、低温層２６が核生成層２２で設定される格子定数を小さくするように、低温層２６はＩｎＧａＮの代わりにＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから構成されてもよい。当該デバイスの光放出活性層は、たとえば、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮであってもよい。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態では、図２で図解されるデバイスは一つ以上の複数の層スタックを含んでいてもよい。複数の層スタックの例には複数の核生成層２２または複数の低温層２６が含まれる。たとえば、一つ以上の追加のＧａＮ核生成層は、図３に示すように、基板２０とＩｎＧａＮ低温層２６の間に配置されてもよい。あるいは、複数のＩｎＧａＮ低温層２６は、図４に示すように、核生成層２２の後に成長させてもよい。複数の層スタックを有するテンプレートを含むもうひとつのデバイスの例では、ＧａＮ低温層２２にＩｎＧａＮ低温層２６が続く配列は、図５に示すように、一回以上繰り返されてもよい。複数の核生成層または低温層の使用によってデバイス中の貫通転位密度および積層欠陥密度を減少させることができる。
【００３２】
いくつかの実施形態では、図４または図５中の複数の低温層２６は、図６中の複数の低温層３２、３４、および３６で図解されるように異なるＩｎＮ組成、または異なる厚さを有していてもよい。図６に示される構造は、図２で図解されるように、従来技術の基板２０上に直接、または核生成層２２の上に成長してもよい。基板に最も近い低温層である層３２は、インジウムの組成が最も大きくてもよく、一方基板から最も遠い低温層である層３６は、インジウムの組成が最も小さくてもよい。別の実施形態では、基板に最も近い低温層である層３２は、インジウムの組成が最も小さくてもよく、一方基板から最も遠い低温層である層３６は、インジウムの組成が最も大きくてもよい。あるいは、どのような任意の低温層の配列が使用されてもよい。ＧａＮキャップ層３８は低温層の上端に形成されてもよい。それぞれの低温層は同一の厚さである必要はない。たとえば、インジウム組成が小さい層は、より高いインジウム組成の層よりも厚くてもよい。図６に示される三つの低温層よりも多いまたは少ない層が使用されてもよい。さらに、図６に図解される低温層の複数のスタックはデバイス中に含まれていてもよい。これらの層のそれぞれの厚さは１０オングストロームから１０００オングストロームの範囲またはそれよりも厚くてもよい。
【００３３】
図６に示される構造では一つ以上の層３２、３４、３６、または３８の成長後に一回以上のアニールをしてもよい。このアニーリングプロセスによってＩｎＧａＮ低温層３２、３４、３６、およびＧａＮキャップ層３８は、その上にデバイス層１０が成長する図７に示す単一のＩｎＧａＮ領域３５を形成するように混ざり合ってもよい。図６中のＧａＮキャップ層３８は、アニ−ル中に、ＩｎＧａＮ低温層３２、３４、および３６から出されたＩｎＮの量を減少させてもよい。アニ−ル条件は最終的な構造が滑らかな表面を有し欠陥密度が低くなるように選択される。いくつかの実施形態では、アニ−ルには成長の休止が含まれる。たとえば、９５０℃から１１５０℃の範囲の温度で３０秒から３０分間、構造がアニールされる。低温層３２、３４、および３６の成長後、温度はキャップ層３８または成長させるべき次の層の成長温度に上げられてもよく、そのときにキャップ層３８または次の層が成長する前に成長休止がある。他の実施形態では、アニ−ルは、低温層３２、３４、および３６の成長後のキャップ層３８の成長温度への、成長反応器内の温度の単なる上昇である。いくつかの実施形態では、キャップ層３８の成長は、成長反応器内の温度がキャップ層３８の所望の成長温度に達する前に始まる。いくつかの実施形態では、キャップ層３８は核生成層２２を成長させるために使用された低温と同様の温度で成長させてもよい。低温層３２、３４、および３６およびキャップ層３８の構造では、低ＩｎＮ組成層は、アニ−ル中に、高ＩｎＮ組成層からのＩｎＮの損失を抑えるのに役立つ。
【００３４】
図３または図４または図５の複数の層スタック、または図６中の傾斜ＩｎＮ含有層３２、３４および３６並びに図７中の傾斜ＩｎＮ含有層３５は、本明細書に記載される実施形態のいずれかに示される単一の低温層２６に置き換えてもよい。本明細書で使用する場合、「傾斜（ｇｒａｄｅｄ）」という用語は、デバイスの層（単数または複数）中の組成物またはドーパント濃度について記述する場合には、組成および／またはドーパント濃度における単一のステップ以外のどのような方法であるかを問わず、組成および／またはドーパント濃度の変化を得るすべての構造を含むことを意味する。それぞれの傾斜層はサブ層のスタックであってもよく、それぞれのサブ層は、隣接するそれぞれのサブ層とは異なるドーパント濃度または組成を有している。サブ層が分解できる厚さである場合には、傾斜層はステップ−傾斜層である。いくつかの実施形態では、ステップ−傾斜層中のサブ層は数十オングストロームから数千オングストロームの範囲の厚さであってもよい。個々のサブ層の厚さがゼロに近づく極限では、傾斜層は連続した傾斜領域となる。それぞれの傾斜層を構成するサブ層は、厚さに対する組成および／またはドーパント濃度について、これに限定されるものではないが、線形傾斜、放物線傾斜、およびべき乗則傾斜を含むさまざまなプロファイルを形成するように配置することが可能である。また、傾斜層は単一の傾斜プロファイルに限定されず、異なる傾斜プロファイルを有する部分および実質的に一定の組成および／またはドーパント濃度領域を有する一つ以上の部分を含んでいてもよい。
【００３５】
一つの実施例では、層３２、層３４、および層３６はそれぞれ９％、６％、および３％のＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮから構成されてもよい。もうひとつの実施例では、層３２、層３４、および層３６は９％、３％、および９％のＩｎＮ組成を有していてもよい。アニーリング後、図７中の混じり合った領域３５のＩｎＮ組成は、下から上に単調に減少、下から上に単調に増加、または非単調な方法で変化してもよい。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態では、半導体光放出デバイスのデバイス層は、高温層の上に成長した少なくとも一つの低温層を含むテンプレートの上に成長する。高温層は、例えば低貫通転位密度および滑らかな表面形態を達成することができ、一方で低温層は、テンプレート上に成長した層に対して膨張した格子定数を達成する。ＧａＮ核生成層は、それが上に成長するサファイア、またはＳｉＣ、または他の基板とは異なる格子定数を有するが、低温層２６は下位層と整合して成長していないので、格子定数の膨張が発生する。図８は、そのようなデバイスの一部の横断面図である。
【００３７】
図８に示されるデバイスでは、高温層２４は、図２に関連して前述した核生成層２２と同じである核生成層２２の上に成長する。高温層２４は、たとえば、９００℃から１１５０℃の範囲の温度で少なくとも５００オングストロームの厚さに成長した、高品質な、結晶性のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮ層であってもよい。
【００３８】
高温層２４の成長後に、温度を低くし、低温層２６を成長させる。いくつかの実施形態では、望ましくない荒い表面を避けるために、低温層２６は成長率０．１Å／ｓから１０Å／ｓの間、一層好ましくは５Å／ｓ未満であり、一層好ましくは０．５から２Å／ｓの間で成長する。低温層２６は、たとえば、４００℃から７５０℃の範囲、一層好ましくは４５０℃から６５０℃の範囲、一層好ましくは５００℃から６００℃の範囲の温度において最大で５００オングストロームの厚さまで成長させた、たとえば、アモルファス、多結晶、または立方層等の低品質な、非単一結晶層であってもよい。より高い温度では、低温層２６は、それ自体の格子定数を緩和または達成するよりもむしろ下位層の格子定数を、所望されるように複製してもよい。低温層２６は、高温層２４の格子定数を複製しないために充分低い温度で成長させ；もっと正確にいえば、低温層２６は、おそらく低温層２６の品質の悪さに起因して、高温層２４の格子定数よりも大きい格子定数を有する可能性がある。低温層２６は、たとえば、ＩｎＮ組成の範囲が１％から２０％、一層好ましくは３％から６％の範囲、一層好ましくは４％から５％の範囲であるＩｎＧａＮ層であってもよい。低温層２６は、ＧａＮ核生成層２２の格子定数からデバイスの光放出層のバルク格子定数により正確にマッチしたより大きな格子定数への転位としての機能を果たす。
【００３９】
いくつかの実施形態では、高温層２４と低温層２６との成長温度の差は少なくとも３００℃であり、一層好ましくは少なくとも４５０℃、および一層好ましくは少なくとも５００℃である。たとえば、低温層２６は４５０℃から６５０℃の範囲の温度で成長する一方、高温層２４は９００℃から１１５０℃の範囲の温度で成長してもよい。
【００４０】
さまざまな本発明の実施形態において層２６の成長に使用される低成長温度のために、低温層２６は高濃度の炭素を含有していてもよい。いくつかの実施形態では、低温層２６中の炭素含有量は１×１０18ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3の範囲であり、多くの場合１×１０18ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3の範囲である。対照的に、高温層２４の炭素含有量は、通常５×１０17ｃｍ-3未満であり、一層好ましくは１×１０17ｃｍ-3未満であり、一層好ましくは１×１０16ｃｍ-3未満である。高濃度の炭素含有量のために、低温層２６は活性層によって放出された光を吸収する。従って、好ましい実施形態では、低温層２６の厚さは１０００Å未満、一層好ましくは５００Å未満、および、一層好ましくは３００Å未満に制限される。
【００４１】
また低成長温度、格子不整合、および熱膨張不整合のために、低温層２６では、低温層２６および低温層２６の上に直接成長する層との界面またはその近辺、または、その上に低温層２６が成長する層と低温層２６との界面またはその近辺に位置する積層欠陥、転位ループ、および転位線などの欠陥濃度が高くともよい。欠陥は、多くの場合、基板２０と核生成層２２との間の成長界面にほぼ平行な方向に向いている。これらの面内欠陥の密度は低温層２６および低温層２６の上に成長する層の歪み緩和に貢献している。これらの面内欠陥の濃度は、必ずしも式（３）に関連して前述した貫通転位密度と関連しているわけではないことに留意されたい。所与の高温層２４では、ＴＥＭの検出限界、一般に約１×１０2ｃｍ-1以下の成長界面に平行な積層欠陥および転位密度を示す、成長界面に平行な積層欠陥または転位は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察では見られない。ＩｎＧａＮ低温層２６のＴＥＭ像では、およそ数千オングストローム厚のＴＥＭサンプルに対して、成長界面に平行な多くの転位があることが明らかにされ、少なくとも１×１０2ｃｍ-1、よりふさわしくは少なくとも１×１０3ｃｍ-1、およびよりふさわしくは少なくとも１×１０4ｃｍ-1の成長界面に対して平行な転位の密集状態が示される。いくつかの実施形態では、成長界面に対して平行な方向の転位の密度は、１×１０2ｃｍ-1から１×１０7ｃｍ-1の範囲である。
【００４２】
いくつかの実施形態では、低温層２６は成長面内で不連続になるような方法で成長させてもよく、すなわち、それによって非平面または不連続とする意図的または意図的ではない特徴を有してもよい。該意図的な特徴の例には一つ以上の横方向過剰成長を含む類の技法の使用が含まれてもよい。これらの技法には、参照によって本明細書に援用する、「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｍａｔｔｅｒ」，１３巻，６９６１−６９７５頁（２００１）Ｈｉｒａｍａｔｓｕに記載されているように、エピタキシャル横方向過剰成長（ＥＬＯまたはＥＬＯＧ）、ファセット制御エピタキシャル横方向過剰成長（ＦＡＣＥＬＯ）、およびペンデオ（Ｐｅｎｄｅｏ）エピタキシー（ＰＥ）を含むさまざまな用語の使用が参照されている。該意図的でない特徴の例には、低温ＩＩＩ族窒化物層の上面と交差するＶ字型の欠陥（一般に「ピット」として知られている）、大きな表面段差、および低温層２６中のまたは低温層２６より下の層（単数または複数）中の他の欠陥の存在が含まれてもよい。これらの意図的な横方向過剰成長技法または意図的でない技法の一つ以上の使用は、欠陥領域の横方向の範囲をテンプレートのごく一部または複数の小さな部分に制限することができるが、一方でテンプレートの横方向過剰成長は低温層２６によって達成される大きな格子定数を維持することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、デバイス層は図８の低温層２６上に直接成長する。別の実施形態では、追加の高温層２８は低温層２６の上方に成長してもよく、図９に示すように低温層２６によって達成される格子定数を複製する。高温層２８は、たとえば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮであってもよい。いくつかの実施形態では、高温層２８は、８００℃から１０００℃の範囲の温度で５００オングストロームから１０，０００オングストロームの範囲の厚さに成長したＩｎＧａＮあってもよい。高温層２８中のＩｎＮ組成は、通常、低温層２６中のＩｎＮ組成未満であり、たとえば、０．５％から２０％の範囲、一層好ましくは３％から６％の範囲、一層好ましくは４％から５％の範囲であってもよい。
【００４４】
低温層２６は続いて成長する層の格子定数を大きくすることを目的としている一方で、高温層２８は、低温層２６中のピット、大きな表面段差、および他の欠陥を埋め、またはそれらの上を滑らかにすることを目的としている。高温層２８は、その上に続く層が成長するための高品質なベースを提供する。低温層２６のＩｎＮ組成は、格子定数をできるだけ膨張させるために比較的高く、高温層２８のＩｎＮ組成は、望ましい高品質の層を成長させるために比較的低い。図９に図解されるデバイスは、基板からデバイス層の間に低温層２６と高温層２８との複数のセット含んでいてもよい。それぞれのセットで基板に最も近い低温層２６中の最も低いＩｎＮ組成からデバイス層に最も近い低温層２６中の最も高いＩｎＮ組成へと低温層２６中のＩｎＮ組成を増加させることによって、格子定数を少量膨張させてもよい。格子定数が膨張するにしたがって、許容できる高品質な高温層２８を成長させることが可能なＩｎＮ組成を増加させることができる。従って、基板に最も近い高温層２８中の最も低いＩｎＮ組成からデバイス層に最も近い高温層２８中の最も高いＩｎＮ組成へと、高温層２８中のＩｎＮ組成は、増加してもよい。層２６中のＩｎＮ組成を増加させることは層２８のＩｎＮ組成を増加させる一つの方法ではあるものの、層２８の組成は、層２６のＩｎＮ組成を増加させない他の方法で増加させてもよい。図１０に示される別の実施形態では、図８の高温層２４を図９中の高温層２８と組み合わせで使用することができる。
【００４５】
図１１に示される別の実施形態では、低温核生成層２２を最初に成長させ、その後に図８に関連して前述した高温層２４を成長させる。第２の高温層３０は高温層２４の上に成長させ、低温ＩｎＧａＮ層２６は層３０の上に成長させる。次に高温層２８を低温層２６の上に成長させ、デバイス層１０を高温層２８の上方に成長させる。あるいは、図１１中で高温層２８を省略してもよく、デバイス層１０を低温ＩｎＧａＮ層２６の上面に直接成長させてもよい。
【００４６】
高温層３０は、たとえば、９００℃から１０００℃の範囲の温度で５００オングストロームから１０、０００オングストロームの範囲の厚さに成長した低ＩｎＮ組成、たとえば５％未満を有するＩｎＧａＮ層であってもよい。高温層３０は、通常、高温層２４の格子定数よりも大きいバルクの格子定数を有する材料である。結果として、低温層２６および続いて成長する高温層２８中の面内格子定数は、低温層２６が高温層２４上に直接成長する場合に達成可能な面内格子定数よりも大きくできる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、図１１中の高温層３０および２８はＩｎＧａＮから構成される。そのような一つの実施形態では、高温層２８は大気よりもＨ2濃度が低い雰囲気中で、または、高温層３０よりも低温で成長させてもよく、そのような場合には、高温層２８は高温層３０よりも高濃度なＩｎＮ組成を有することができる。たとえば、高温層３０と低温層２６との成長温度の差異は、少なくとも３５０℃、一層好ましくは少なくとも４００℃、および一層好ましくは少なくとも４５０℃であってもよい。対照的に、低温層２６と高温層２８との成長温度の差異は少なくとも２５０℃、一層好ましくは少なくとも３００℃、および一層好ましくは少なくとも３５０℃であってもよい。別の実施形態では、高温層２８は、高温層３０よりも高い温度または高濃度のＨ2で成長させてもよく、この場合には高温層２８は高温層３０よりもＩｎＮ組成が低くともよい。別の実施形態では、高温層２８は高温層３０と実質的に同一の条件で成長させてもよく、または高温層２８は、高温層３０と実質的に同一の組成であってもよい。それぞれのこれらの実施形態では、低温ＩｎＧａＮ層２６は高温層２４の格子定数を遮断し、続いて成長する層の格子定数を膨張させるから、高温層２８は高温層３０よりも大きい面内格子定数を有する。
【００４８】
構造のいくつかの実施形態では、低温層２６は大きな格子定数を達成でき、それとともに高温層２８は滑らかな表面を達成できる。低温層２６の面内格子定数が実質的に高温層２８のバルクの格子定数よりも大きい場合には、高温層２８は実質的に、式（１）で記述される引張歪みの状態であってもよく、この引張歪みは高温層２８中または高温層２８に近いクラックまたは他の欠陥の形成によって、部分的に緩和されてよい。クラックはデバイスの電気的および構造的な完全性を低下させるであろうし、層２８中のクラックまたは他の構造的な欠陥は層２８中の格子定数を小さくし、活性領域中の圧縮歪みを増加させるので、この結果は好ましくない。したがって、デバイスのいくつかの実施形態では、基板２０とデバイス層１０との間に追加の層を成長させることが好ましい。一つの該実施形態では、高温層３１は、図１２に示すように低温層２６と高温層２８との間に配置されてもよい。この実施形態では、高温層３１は低温層２６の温度よりも高いが高温層２８の温度よりも低い温度で成長させてもよい。高温層２８および高温層３１のそれぞれでは、たとえば、ＩｎＧａＮを、８００℃から１０００℃の温度範囲で５００オングストロームから１０、０００オングストロームの範囲の厚さに成長させてもよい。それぞれの高温層中のＩｎＮ組成は、たとえば、０．５％から２０％の範囲、一層好ましくは３％から６％の範囲、一層好ましくは４％から５％の範囲であってもよい。
【００４９】
あるいは、高温層２８および高温層３１は実質的に同一温度で成長させてもよいが、高温層３１は、高温層２８を成長させるために使用されるよりも大気中のＨ2量を減少させて成長させてもよい。この場合には、高温層３１は高温層２８よりも高いＩｎＮ組成を有してもよい。あるいは、高温層３１は高温層２８よりも高い温度または大気中のＨ2量を増加させて成長させてもよく、この場合には高温層３１は高温層２８よりも低いＩｎＮ組成を有してもよい。
【００５０】
別の実施形態では、低温層２６とデバイス層１０との間に三つ以上の異なる層を成長させてもよい。この実施形態の一つの実施例は図１３に示され、ここではＩｎＮリッチ材料とＩｎＮプア材料が交互に重なった層が低温層２６とデバイス層１０との間の複数の層スタック中に含まれる。図１３中の複数の層スタックは図２の核生成層２２の上に、または、図１０の高温層２４の上に成長することができることに留意されたい。ＩｎＮリッチ層およびＩｎＮプア層の三つのセットが図１３で図解されるが、より多くのまたはより少ないセット数が使用されてもよい。インジウムリッチ層６０、６２、および６４は、たとえば、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮであってもよい。インジウムプア層６１、６３、および６５は、たとえば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮであってもよい。層６０、６２、および６４は３％のＩｎＮ組成であってもよく、それと同時に層６１、６３、および６５は０．５％のＩｎＮ組成であってもよい。
【００５１】
追加のキャップ層６７は一番上のＩｎＮプア層６５の上に成長してもよく、次にデバイス層１０はキャップ層６７または一番上のＩｎＮプア層６５の上に成長する。キャップ層６７は、たとえば、ＧａＮまたはＩｎＧａＮであってもよい。別の実施形態では、一番上のインジウムプア層は省略されてもよく、デバイス層は層６０、６２、または６４など一番上のインジウムリッチ層の上に直接成長させてもよい。
【００５２】
デバイスの別の実施形態では、参照によって本明細書に援用する，「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、５２巻、１６１７−１６１８（１９８８）頁Ｉｔｏｈら、に記載されているように、図１３中の複数の層スタックは熱サイクル成長またはアニーリングを使用して形成することができる。熱サイクル成長は、良好な表面形態および従来技術のＧａＮテンプレート上での成長から得られるａ−格子定数よりも大きいデバイス層中のａ−格子定数を有するデバイスを成長させるために使用される。熱サイクル成長プロセスはＩｎＧａＮなどのエピタキシャル層の成長を含み、その後に高温成長またはアニーリングステップを含む。
【００５３】
それぞれの層６０、６１、６２、６３、６４、および６５の成長後に、Ｇａ、ＡｌおよびＩｎ前駆体などのいくつかの前駆体ガスの流量を停止させることで成長を休止させてもよく、その次に、あらかじめ定められた時間だけ温度を維持しまたは上昇させると同時に、多くの場合ＮＨ3であるＮ前駆体を連続して流して構造をアニールしもよい。次の層の成長温度へ調節すると次の層の成長が始り、必要であれば、適切な前駆体が導入される。典型的なアニーリング条件はＨ2およびＮＨ3雰囲気中１１００℃で５分間から成る。ＩｎＧａＮ層が過度に分解することを防ぐために、Ｎ2も雰囲気に追加でき、または、雰囲気からＨ2を除去することもできる。あるいは、これらの高温ステップまたは温度勾配中に成長を続けてもよい。それぞれの層が成長した後のアニーリングは、それぞれの層が成長した後にアニールをしないデバイスの表面形態を改良することになる。しかし、ＩｎＮプア層６１、６３、および６５が成長した後にアニーリングすると、これらの層がＩｎＮリッチ層のより大きいａ−格子定数に対してこれ以上歪まないように、ＩｎＮプア層中の歪みをいくらか緩和させることができるが、余分な転位または転位ループを形成することになり、結果として所望のａ−格子定数よりも小さいテンプレートを生じる。
【００５４】
あるいは、構造はＩｎＮリッチ層６０、６２、および６４の全てまたはいくつかの成長後にのみアニールされ、またはＩｎＮプア層６１、６３、および６５の全てまたはいくつかの成長後にのみアニールされる。ＩｎＮプア層６１、６３、および６５の成長後にのみアニーリングする場合には、すべてのアニーリングステップの間でＩｎＮプア層はデバイス中のＩｎＮリッチ層中のＩｎＮをより多くトラップするので、テンプレート中のＩｎＮ組成の平均は高くなってもよい。別の実施形態では、構造はそれぞれの層の成長後にアニールしてもよく、ここでインジウムリッチ層の成長後に使用されるアニーリング条件はインジウムプア層の成長に使用されるアニーリング条件とは異なる。それぞれのインジウムリッチ層６０、６２、および６４は同一の組成または厚さであることは必要とされないことに留意されたい。同様に、それぞれのインジウムプア層６１、６３、および６５は同一の組成または厚さであることは必要とされない。
【００５５】
別の実施形態では、傾斜ＩｎＧａＮ層５９は、図１４に示すように、低温層２６とデバイス層１０との間に配置されてもよい。傾斜層５９は、たとえば、ＩｎＮ組成が変化した一つ以上の二元、三元、または四元ＩＩＩ族窒化物層を含んでいてもよい。前述した追加のキャップ層（図１４に図示せず）は、傾斜層５９とデバイス層１０との間に配置されてもよい。たとえば、傾斜層５９は、低温層２６に隣接する最もＩｎＮ組成が高い１１％からデバイス層１０に隣接する最もＩｎＮ組成が低い３％へと線形に傾斜する組成を有するＩｎＧａＮ層であってもよい。もうひとつの例では、傾斜層５９は低温層２６に隣接するＩｎＮ組成が高い１０％からデバイス層１０に隣接するＩｎＮ組成が低い０％に下がる傾斜を含むことができる。さらにもう一つの例では、傾斜層５９は低温層２６に隣接するＩｎＮ組成の高い８％から、ある中間の位置でＩｎＮ組成の低い０％に下がる傾斜または単一のステップと、その後デバイス層１０に隣接するＩｎＮ組成が高い３％に戻る傾斜または単一のステップを含んでもよい。
【００５６】
いくつかの実施形態では、図１１中の層２４および３０は、図１２中の層２８と３１との組み合わせを使用してもよい。別の実施形態では、低温層２６は図１４に示される二つの傾斜ＩｎＧａＮ層５９の間にサンドイッチされてもよい。別の実施形態では、低温層２６の任意のスタックは、高温層の任意のスタックまたは高温層および低温ＧａＮ層の任意のスタックの間で分散して成長してもよい。図２、図８、図９、および図１０に示される実施形態のそれぞれは、図３から図７および図１１から図１４において記述した傾斜層、複数の層スタック、およびアニールされた層または熱サイクル成長によって成長した層を含んでいてもよい。
【００５７】
いくつかの実施形態では、図１２中の高温層３１などの層の特性は低温層２６によって得られる格子定数を固定（ｌｏｃｋ  ｉｎ）するように選択される。いくつかの実施形態では、図１２中の高温層２８などの層の特性はデバイス中の表面形態を改良するために選択される。
【００５８】
図１５および図１６は、いくつかのデバイスに対してａ−格子定数の関数としてｃ−格子定数をプロットしたものである。図１５は、本発明の実施形態によるテンプレートは実際に付加（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）層を少なくとも部分的に緩和させていることを明示している。構造の歪み状態は構造のｃ−格子定数およびａ−格子定数を決定することで測定できる。図１５中のダイヤモンドで示される構造では、図１で図解されるように、ＧａＮ核生成層２の上に厚い高温ＧａＮ層３を成長させ、式（３）に関連して前述したように、貫通転位密度およびしたがってＧａＮテンプレート中の面内ａ−格子定数を変えるために、核生成層２および高温ＧａＮ層３の成長条件を変化させた。貫通転位密度を変化させる該方法は，参照によって本明細書に援用する「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｇｒｏｗｔｈ」，２２１巻，２６２−２６６頁（２０００）Ｆｉｇｇｅらに記述されている。したがって、図１５中のダイヤモンドで示される構造では、貫通転位密度およびａ−格子定数は式（３）に一致して変化する。黒丸で示される構造では、厚い高温ＧａＮ層を本発明の実施形態によって調製した低温ＩｎＧａＮ層の上に成長させた。弾性理論によれば、ＩＩＩ族窒化物材料中のｃ−格子定数とａ−格子定数とは逆相関し、これはダイヤモンドで示される構造によって明示され、それらは全て図１５で図解される斜線に近接して収まる。ダイヤモンドで示される構造とは対照的に、斜線の下に位置する黒丸によって示されるそれぞれの構造では、これらの構造のｃ−格子定数はダイヤモンドで示される構造のｃ−格子定数よりも小さいことを意味している。黒丸によって示される構造のより小さいｃ−格子定数は、これらの構造中の厚い高温ＧａＮ層が引張歪みのもとで成長することを意味し、高温ＧａＮ層のａ−格子定数は下層の少なくとも部分的に緩和した低温ＩｎＧａＮ層２６のａ−格子定数と合致するために伸びたことを示す。黒丸によって示される構造は、ダイヤモンドで示される構造よりも、所与のａ−格子定数に対してより小さい貫通転移密度であることをも示し、本発明は、前述したように式（３）によって定量化した従来技術のＧａＮテンプレート中で観察されたａ−格子定数と貫通転位密度との間のトレードオフを解決することを示す。
【００５９】
図１６は、一つ以上の本発明の実施形態中のいくつかの層で観察されたｃ−格子定数およびａ−格子定数のプロットである。図１６中の黒丸は図９中の層２８を示し、図１６中の白丸は図１３中の一つ以上のインジウムリッチ層を示し、およびダイヤモンド記号は図１３中の一つ以上のインジウムプア層またはキャップ層を示す。図１６中の斜めの実線は前に図１５で示した斜めの実線に対応し、図１で図解される構造等のＧａＮテンプレートの実験データを示し、破線の斜線は、より大きいａ−格子値に対する実線の外挿である。図１６で図解されるように、インジウムリッチ層６０のｃ−格子定数およびａ−格子定数の両方とも、図１５中のダイヤモンド記号によって示される従来技術のＧａＮテンプレートのデータと比較してかなり大きい。インジウムリッチ層６０の上に形成されたインジウムプア層６１またはキャップ層６７のｃ−格子定数およびａ−格子定数はインジウムリッチ層６０の格子定数よりも小さいが、図１５中の従来技術のＧａＮテンプレートで観察した最も大きいａ−格子定数よりもずっと大きく、図１３で図解される実施形態に従って成長したインジウムプア層６１およびキャップ層６７は、より大きい格子定数のインジウムリッチ層６０に対して少なくとも部分的に歪んでいることを示している。インジウムプア層６１およびキャップ層６７は、通常、クラッキングを避けるために充分に薄く維持され、または、ＩｎＮ組成が充分に高いように成長させることに留意されたい。インジウムプア層６１およびキャップ層６７上に歪んで成長したデバイス層１０はこのＧａＮよりも大きいａ−格子定数を複製し、これは光放出層中の歪みを減少させる。したがって、前述した実施形態中のテンプレートは、一般に３．１８９Å以下の格子定数を有する従来技術のＧａＮテンプレートよりも大きいａ−格子定数を有することができる。
【００６０】
前述した実施形態中のいくつかの構造のように、３．１８９Åよりも大きい面内格子定数を有するテンプレート上の一つ以上の光放出層を含むデバイス層の成長では、欠陥密度を許容範囲にし、スピノーダル分解を減少させて、より厚い光放出層が成長できるように、光放出層中の歪みを十分に減少できる。たとえば、青色光を放出するＩｎＧａＮ層は３．２３Åのバルクの格子定数を有する組成物である組成Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎを有してもよい。光放出層中の歪みは光放出層中の面内格子定数（従来技術のＧａＮバッファ層上に成長した光放出層における約３．１８９Å）と光放出層のバルクの格子定数との差異によって決定されるので、歪みは式（２）によって決定されるように│（ａ面内−ａbulk）│／ａbulkで表現されてもよい。従来技術のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ層の場合には、歪みは│（３．１８９Å−３．２３Å）│／３．２３Åであり、約１．２３％である。同一組成物の光放出層が前述した構造のようにより大きい格子定数テンプレート上に成長する場合には、歪みは減少または取り除くことができる。本発明のいくつかの実施形態では、４３０ｎｍから４８０ｎｍの間のデバイス放出光の光放出層中の歪みは、１％未満、一層好ましくは０．５％未満に減少させることができる。シアン色光を放出するＩｎＧａＮ層は、従来技術のＧａＮバッファ層上に成長した場合にはバルクの格子定数が３．２４Åであり、かつ、歪みが約１．７％である組成物である組成Ｉｎ0.16Ｇａ0.84Ｎを有してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、４８０ｎｍから５２０ｎｍのデバイス放出光の光放出層中の歪みは、１．５％未満、一層好ましくは１％未満に減少させることができる。緑色光を放出するＩｎＧａＮ層はバルクの格子定数が３．２６Åの組成物である組成Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎを有してもよく、従来技術のＧａＮバッファ層上に成長させた場合には、結果として約２．１％の歪みを生じる。本発明のいくつかの実施形態では、５２０ｎｍから５６０ｎｍのデバイス放出光の光放出層中の歪みは、２％未満、一層好ましくは１．５％未満に減少させることができる。
【００６１】
図２で図解されるデバイスに対して、発明者らは３．２１２Åという大きなａ−格子定数および４×１０9ｃｍ-2という低い貫通転移密度を有する構造を成長させた。該構造の上に成長した光放出層は、青色光放出層に対して０．５５％歪み、シアン光放出層に対して０．８７％歪み、および緑色光放出層に対して１．５％歪んでいてもよい。図８および図１０で図解されるデバイスに対して、発明者らは、３．１９６Åという大きなａ−格子定数および１．５×１０9ｃｍ-2という低い貫通転移密度を有する構造を成長させた。該構造の上に成長した光放出層は、青色光放出層に対して１．１％歪み、シアン光放出層に対して１．４％歪み、緑色光放出層に対して２．０％歪んでいてもよい。図９および図１３で図解されるデバイスに対して、発明者らは３．２０２Åという大きなａ−格子定数および１．５×１０9ｃｍ-2という低い貫通転移密度を有する、図１６で図解される構造を成長させた。該構造の上に成長した光放出層は、青色光放出層に対して０．８７％歪み、シアン光放出層に対して１．２％歪み、および緑色光放出層に対して１．８％歪んでいてもよい。図１１で図解されるデバイスに対して、、発明者らは３．２０４Åという大きなａ−格子定数および１．５×１０9ｃｍ-2という低い貫通転移密度を有する構造を成長させた。該構造の上に成長した光放出層は、青色光放出層に対して０．８％歪み、シアン光放出層に対して１．１％歪み、および緑色光放出層に対して１．７％歪んでいてもよい。したがって、これらの実施例のそれぞれは、式（３）において前述した面内ａ−格子定数と貫通転位密度との間の関係を壊す。
【００６２】
本発明の実施形態によれば、前述した成長テンプレートおよびデバイス層は、サファイアの主結晶面から傾いたサファイアまたはＳｉＣ成長基板表面上に成長させてもよい。図１７ではサファイアのｃ面、ｍ面、およびａ面を図解する。ＩＩＩ族窒化物デバイスは多くの場合サファイアのｃ面、ｒ面、ｍ面、またはａ面の上に成長させる。本発明の実施形態では、ＩＩＩ族窒化物デバイス層が成長する成長表面がｃ面、ｒ面、ｍ面、またはａ面から方向１２に、たとえば０．１°を超えて傾くように、サファイア基板をスライスし研磨してもよい。該基板の上に成長した光放出層では、スピノーダル分解が減少し、光放出層中の歪みが減少することが可能である。該基板は、前述したテンプレートの何れを成長させるのに使用してもよい。
【００６３】
図解し、前述した半導体構造は、コンタクトがデバイスの両側にそれぞれ形成されたデバイスまたは二つのコンタクトがデバイスの同じ側に形成されたデバイスなどの光放出デバイスのすべての好適な構造に含まれてもよい。二つのコンタクトが同じ側に配置される場合には、デバイスは、コンタクトが形成されているいずれかの同じ側から光が抽出されるように透明コンタクトにより形成され、かつ、取付けられてもよく、または、反射コンタクトにより形成され、かつ、コンタクトが形成されている側とは反対の側から光が抽出されるフリップチップとして取付けられてもよい。
【００６４】
図１８では、成長基板が除去されたフリップチップデバイスである、好適な構造の一つの例の一部を図解する。前述したように、デバイス層１０は、少なくとも一つのｎ型層を含有するｎ型領域７１と少なくとも一つのＰ型層を含有するＰ型領域７３との間にサンドイッチされた少なくとも一つの光放出層を含む光放出領域７２を含有する。Ｎ型領域７１は成長テンプレートの一部であってもよい、すなわち分離構造である。Ｐ型領域７３の一部および光放出領域７２は、ｎ型領域７１の一部を露出するメサを形成するために除去される。ｎ型領域７１の一部を露出する一つのビアを図１８に示すが、単一のデバイス中に複数のビアが形成されてもよいことが理解されるべきである。Ｎ−コンタクト７８およびｐ−コンタクト７６は露出したｎ型領域７１の一部およびｐ型領域７３上に、たとえば蒸着またはめっきによって形成される。コンタクト７８およびコンタクト７６は、空気または誘電層によって、電気的にお互いに絶縁されていてもよい。コンタクト金属７８および７６を形成した後に、デバイスのウェハは個々のデバイスにダイスカットされてもよく、その次にそれぞれのデバイスを成長方向に対してフリップし、マウント８４上にマウントし、この場合には、図１８で図解されるようにマウント８４の横方向の範囲はデバイスの横方向の範囲よりも広くともよい。あるいは、デバイスのウェハをマウントのウェハと接続してもよく、次に個々のデバイスにダイスカットしてもよい。マウント８４は、たとえば、Ｓｉなどの半導体、金属、またはＡｌＮなどのセラミックであってもよく、Ｐ−コンタクト７６に電気的に接続する少なくとも一つの金属パッド８０およびｎ型コンタクト７８に電気的に接続する少なくとも一つの金属パッド８２を含んでもよい。コンタクト７６および７８とパッド８０および８２の間に配置されたインターコネクト（図１８に図示せず）は半導体デバイスをマウント８４に接続する。インターコネクトは、たとえば、金などの元素金属、または、はんだであってもよい。
【００６５】
マウント後、成長基板（図示せず）は、エッチングまたはレーザ溶融などの基板材料に好適なプロセスによって除去される。マウントの前後で半導体層を支え、基板除去中のクラッキングを防ぐために、デバイスとマウント８４との間に硬いアンダーフィルを提供してもよい。上にデバイス層１０が成長するテンプレート７５は、そのまま残され、たとえばエッチングによって、完全に除去され、または部分的に除去されてもよい。成長基板およびいくらかの半導体材料の除去によって露出した表面は、たとえば、光電気化学エッチングなどのエッチングプロセスまたは研削などの機械プロセスによって、粗面化しもよい。光が抽出される表面の粗面化はデバイスからの光抽出を改良できる。あるいは、フォトニック結晶構造を表面中に形成してもよい。蛍光体層または当該技術分野においてダイクロイックまたはポラライザ等などとして知られている二次的な光学素子などの構造８５を放出面に適用してもよい。
【００６６】
図１９は、米国特許６，２７４，９２４号に詳細に記述されているパッケージされた光放出デバイスの分解図である。ヒートシンクスラグ１００はインサート成形リードフレーム中に入れられる。インサート成形リードフレームは、たとえば、電気的な経路を提供する金属フレーム１０６のまわりにモールドされた充填プラスチック材料１０５である。スラグ１００は追加の反射カップ１０２を含んでもよい。前述した実施形態中のデバイスのいずれであってもよい光放出デバイスダイ１０４は、直接または間接的に熱伝導サブマウント１０３を介してスラグ１００にマウントされる。光学的レンズであってもよいカバー１０８を追加してもよい。
【００６７】
本発明を詳細に記述してきたが、本発明の開示によって、本明細書に記載される発明概念の精神を逸脱することなく、本発明に対して変更を加えてもよいことを当業者は理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、図示され記述された特定の実施形態に制限されることを意図しない。特に、低温層２６は、ＩｎＧａＮの代わりにＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから構成されてもよい。低温層２６がＡｌＧａＮから構成される実施形態では、低温層２６の面内格子定数は核生成層２２の面内格子定数よりも小さく、これは短波長ＵＶ放射体として使用されるＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ層中の歪みを減少させる。低温層２６がＡｌＩｎＧａＮから構成される実施形態では、低温層２６の面内格子定数は層２２の面内格子定数よりも大きくとも小さくともよく、低温層２６中のインジウムのアルミニウムに対する割合に依存する。また、本明細書に記述された本発明は、光放出デバイスばかりではなく、たとえばＦＥＴなどのトランジスタまたは検出器を含む電子デバイスまたはオプトエレクトロニクスデバイスに適用されてもよい。
【図１】
0005455643.tif 000002
【図２】
0005455643.tif 000003
【図３】
0005455643.tif 000004
【図４】
0005455643.tif 000005
【図５】
0005455643.tif 000006
【図６】
0005455643.tif 000007
【図７】
0005455643.tif 000008
【図８】
0005455643.tif 000009
【図９】
0005455643.tif 000010
【図１０】
0005455643.tif 000011
【図１１】
0005455643.tif 000012
【図１２】
0005455643.tif 000013
【図１３】
0005455643.tif 000014
【図１４】
0005455643.tif 000015
【図１５】
0005455643.tif 000016
【図１６】
0005455643.tif 000017
【図１７】
0005455643.tif 000018
【図１８】
0005455643.tif 000019
【図１９】
0005455643.tif 000020